Fortschritte bei Quantenemittern markieren den Fortschritt auf dem Weg zu einem Quanteninternet

Die Aussicht auf ein Quanteninternet, das Quantencomputer miteinander verbindet und eine hochsichere Datenübertragung ermöglicht, ist verlockend, stellt jedoch eine gewaltige Herausforderung dar. Der Transport von Quanteninformationen erfordert die Arbeit mit einzelnen Photonen und nicht mit den Lichtquellen, die in herkömmlichen Glasfasernetzen verwendet werden. Um einzelne Photonen zu erzeugen und zu manipulieren, greifen Wissenschaftler auf Quantenlichtemitter, auch Farbzentren genannt. Diese atomaren Defekte in Halbleitermaterialien können einzelne Photonen fester Wellenlänge oder Farbe emittieren und ermöglichen, dass Photonen auf kontrollierte Weise mit den Spineigenschaften von Elektronen interagieren.

Ein Forscherteam hat kürzlich eine effektivere Technik zur Herstellung von Quantenemittern mithilfe gepulster Ionenstrahlen demonstriert und damit unser Verständnis über die Entstehung von Quantenemittern vertieft. Die Arbeit wurde von den Forschern Thomas Schenkel, Liang Tan und Boubacar Kanté vom Energieministerium des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) geleitet, der außerdem außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informatik an der University of California, Berkeley ist. Die Ergebnisse erschienen in Physics Review Applied und sind Teil einer größeren Anstrengung des Teams, die besten Quantendefekt-Emitter für die Verarbeitung und den Transport von Quanteninformationen zu identifizieren und diese mit Präzision herzustellen.

„Die Farbzentren, die wir herstellen, sind Kandidaten dafür, das Rückgrat eines Quanteninternets und eine Schlüsselressource für die skalierbare Quanteninformationsverarbeitung zu werden“, sagte Schenkel, leitender Wissenschaftler in der Abteilung Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) des Berkeley Lab. „Sie könnten die Verknüpfung von Quantencomputerknoten für skalierbares Quantencomputing unterstützen.“

„Die Farbzentren, die wir herstellen, sind Kandidaten dafür, das Rückgrat eines Quanteninternets und eine Schlüsselressource für die skalierbare Quanteninformationsverarbeitung zu werden“ – Thomas Schenkel

In dieser Arbeit zielte das Team auf die Herstellung eines bestimmten Typs von Farbzentrum in Silizium ab, das aus zwei substituierten Kohlenstoffatomen und einem leicht verschobenen Siliziumatom besteht. Die herkömmliche Methode zur Erzeugung der Defekte besteht darin, das Silizium mit einem kontinuierlichen Strahl hochenergetischer Ionen zu treffen; Die Forscher fanden jedoch heraus, dass ein gepulster Ionenstrahl wesentlich effizienter ist und viel mehr der gewünschten Farbzentren erzeugt.

„Wir waren überrascht, dass diese Defekte mit gepulsten Ionenstrahlen leichter erzeugt werden können“, sagte Wei Liu, Postdoktorand bei ATAP und Erstautor der Veröffentlichung. „Im Moment nutzen Industrie und Wissenschaft hauptsächlich Durchlaufträger, aber wir haben einen effizienteren Ansatz demonstriert.“

Die Forscher glauben, dass die durch den gepulsten Strahl erzeugten transienten Anregungen, bei denen sich Temperatur und Systemenergetik schnell ändern, der Schlüssel zur effizienteren Bildung von Farbzentren sind, was sie durch eine frühere veröffentlichte Studie mit gepulsten Ionenstrahlen aus einem laserbetriebenen Beschleuniger festgestellt haben in Kommunikationsmaterialien.

Das Team charakterisierte die Farbzentren bei kryogenen Temperaturen mithilfe hochempfindlicher Nahinfrarotdetektoren, um ihre optischen Signale zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass die Intensität des Ionenstrahls, der zur Erzeugung der Farbzentren verwendet wurde, die optischen Eigenschaften der von ihnen emittierten Photonen veränderte. Groß angelegte Computersimulationen am Perlmutter-System am National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) lieferten weitere Einblicke in die Entdeckung und zeigten, dass die Wellenlänge der emittierten Photonen empfindlich auf Spannungen im Kristallgitter reagiert.

„First-Principles-Berechnungen der elektronischen Struktur sind zur bevorzugten Methode zum Verständnis von Defekteigenschaften geworden“, fügte Vsevolod Ivanov, Postdoktorand an der Molecular Foundry und Co-Erstautor der Veröffentlichung, hinzu. „Wir sind an einem Punkt angelangt, an dem wir vorhersagen können, wie sich ein Defekt verhält, selbst in komplexen Umgebungen.“

Die Ergebnisse deuten auch auf eine neue Anwendung von Quantenemitter-Farbzentren als Sensoren für Strahlung hin.

„Es eröffnet neue Wege“, sagte Tan, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Molecular Foundry des Berkeley Lab. „Wir können dieses Farbzentrum bilden, indem wir einfach ein Proton auf Silizium treffen. Wir könnten das möglicherweise als Detektor für Dunkle Materie oder Neutrino mit Direktionalität verwenden, weil wir diese unterschiedlichen Spannungsfelder sehen, je nachdem, aus welcher Richtung die Strahlung kam.“

Mit diesem tieferen Verständnis der Bildung und Eigenschaften von Quantenemittern weitet das Team seine Erforschung von Farbzentren weiter aus. Zu den laufenden Arbeiten gehört die Erstellung einer Datenbank mit Farbzentren, die voraussichtlich in Silizium vorkommen, die Verwendung von Computersimulationen zur Identifizierung derjenigen, die sich am besten für Quantencomputer- und Netzwerkanwendungen eignen, sowie die Verfeinerung von Herstellungstechniken, um eine deterministische Kontrolle über die Erstellung einzelner Farbzentren zu erlangen.

„Wir arbeiten an einem neuen Paradigma für Qubits durch Design“, sagte Kanté. „Können wir zuverlässig ein bestimmtes Farbzentrum herstellen, das im Telekommunikationsband arbeitet, über ausreichende Helligkeit verfügt, nicht allzu schwer herzustellen ist, über einen Speicher verfügt usw.? Wir sind mit dieser Aufgabe beschäftigt und haben einige spannende Fortschritte erzielt.“

„Die in dieser Arbeit aufgedeckten neuen Wege zur Bildung von Farbzentren mithilfe intensiver Strahlen sind eine spannende Anwendung von Bedingungen hoher Energiedichte und Plasmawissenschaft zur Verbesserung von Technologien für die Quanteninformationswissenschaft“, sagte Cameron Geddes, Direktor der ATAP-Abteilung.

Die Molecular Foundry und das National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science im Berkeley Lab.

Diese Forschung wurde von den Programmen Fusion Energy Sciences und High Energy Physics des DOE Office of Science finanziert.

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Das Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Wissenschaftler wurden 1931 mit der Überzeugung gegründet, dass die größten wissenschaftlichen Herausforderungen am besten von Teams bewältigt werden können, und wurden mit 16 Nobelpreisen ausgezeichnet. Heute entwickeln Forscher des Berkeley Lab nachhaltige Energie- und Umweltlösungen, schaffen nützliche neue Materialien, erweitern die Grenzen der Computertechnik und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler auf der ganzen Welt verlassen sich bei ihrer Entdeckungswissenschaft auf die Einrichtungen des Labors. Berkeley Lab ist ein nationales Multiprogrammlabor, das von der University of California für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.

Das Office of Science des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.